基于无线控制的智能小车系统的设计毕业设计

1、基于无线控制的智能小车 摘 要： 本文针对基于无线控制的智能小车的设计和研究，首先对系统的总体设计加以介 绍，概括了智能小车的主要作用及其工作模式，并介绍了智能小车的主要元器件；然后详 细介绍了系统的硬件以及软件设计，硬件方面，重点研究了温度采集模块、红外避障模块 和无线收发模块，软件方面详细讲解了上位机人机交互界面的设计、避障设计以及无线通 信的数据处理；最后，总结了系统测试结果并对本设计的发展前景做了概述。 关键词： 单片机；上位机；红外线；避障；温度检测；无线通信 The intelligent car Based on wireless control Abstract: In thi

2、s paper, the overall description of the smart car, which is base on the wireless control, is introduced its design and research. First introduced is the overall design of the system, and describes the major function, operating mode and the main components of the smart car; then analyses the systems

3、hardware and software design in detail. Hardware side, the focus is on the temperature acquisition module, infrared obstacle avoidance module and wireless transceiver module; The software has a detailed account of the host-computer interactive interface design, the design of the obstacle avoidance a

4、nd wireless communications data processing; Finally summaries up the test results of this system and has an overview of the prospects for the development of this design.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 Keywords: MCU; upper computer; Infrared ray; Obstacle avoidance; Temperature detection; Wireless communication 聞創沟燴鐺險爱氇

5、谴净。 1. 绪论 1.1 课题的背景及意义 1.1.1 课题背景 未来是充满科学技术的新时代，而智能化 1正是科学技术的重要体现。在一定程度上， 智能化的发展能够带动一些相关领域的发展。因此，智能化将是新世纪的一个重要前进方 向。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 随着科学技术的不断发展，应运而生的是各种机器人的更新换代。至今，机器人从示 教型机器人，发展到可离线编程的工业机器人，再到如今的智能机器人。机器人的发展步 伐不断加快。从上个世纪六十年代起，关于机器人的移动问题，人类做了很多研究设计。 主要有以下几方面： 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 1) 机器人移动方式； 2) 机器人驱动控制方式； 3) 机器

6、人行走的路径规划。 从机器人移动方式方面来分类，主要有模拟人类行走的腿式机器人、有模拟坦克的履 式机器人、以及模拟汽车行驶的轮式机器人。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 作为轮式机器人，智能小车是智能系统 23 的一个典型代表，它综合了自动控制技术、 驱动技术、传感器技术和信息处理技术等多学科知识， 具有实用性强和应用范围广的特点。 随着技术的发展，智能小车 4的应用范围在不断扩大，遍及工业、抢险救灾、海洋开发、 宇宙空间以及人类生活的各个方面，对人类生活产生巨大影响。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1.1.2 研究意义 智能技术改变了人类的社会生活，对人类生活生产方式产生了巨大影响。近年来，随 着人类社会

7、现代化的步伐不断加快，人类迫切需求更多智能化产品的出现，以改善人类现 有的生活和生产方式。进一步提高生活质量，提升生产效率。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 智能小车的出现从实际上改变了工业生产面貌，使人类生产从手工化逐步过渡到机械 化、智能化。智能小车，能够适应各种恶劣环境，通过远程控制的方式，可以在完全不需 要人类实际参与的情况下，安装预期目标完成作业。本课题所研究的智能小车，可以应用 到多个领域如粮库检测，矿下探测，危险未知区域的信息采集等。这里以信息采集为例， 主要采集温度信息。 运用智能小车， 可以减少劳动力、 提高工作效率并避免一些安全事故。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 1.2 基于无线控制的

8、智能小车系统概述 1.2.1 基于无线控制的智能小车系统组成 本系统主要组成部分包括：上位机、单片机、电机驱动、温度采集、红外避障等部 分。其总体框架见图 1。 上位机 2 图 1 系统总体框架图 1) 电机驱动模块 该模块主要完成小车驱动功能。根据接受到的单片机控制信号，变动输出电平，控制 电机转向，从而实现对小车运动的控制。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 2) 温度采集模块 该模块主要负责采集温度， 并将转换后的温度信息传给单片机， 进行温度显示和传输。 3) 红外避障模块 此模块主要功能是是小车在行驶过程中避开障碍物。通过检测小车前方的障碍物，并 将检测信息发送给单片机，从而控制小车转向，达到

9、避障效果。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 4) 单片机模块 这是系统下位机的核心模块。它能接受上位机的信息，控制小车的行驶。同时，将检 测到的信息反馈给上位机，进行实时显示。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 5) 上位机模块 此模块是主要功能是对小车进行远程控制，并接受小车反馈的信息，进行实时显示。 1.2.2基于无线控制的智能小车系统特点 本系统融合了信息采集、无线传输、远程控制等技术，设计出了无线控制的智能小车。 该系统成本低，实用性强，具有广泛的应用前景。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 1.3 本课题主要研究内容 本课题的主要研究内容包括 : (1) 小车的硬件设计。主要介绍小车所选取的硬件及其功能和详细参

10、数。在下位机控制 方面，以 STC89C52 单片机作为控制中心。此外，还介绍了避障模块、信息采集模块、小 车驱动模块的硬件设计。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 (2) 避障设计。采用红外传感器 5 来识别障碍物。利用红外避障，对近距离障碍物反应 灵敏，障碍物感应距离可以调节，而且不会有造成信号干扰。当遇到障碍物时，能够很快 发出低电平信号，传送给单片机，控制小车转向，到达避障目的。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 (3) 无线通信 67。整个系统由上位机和下位机组成， 上位机和下位机的信息交流是通过 无线形式的方式进行的。上 位机要控制小车， 必须通过无线形式发送控制命令， 小车要发 送温度信息到上位机也

11、必须通过无线信息。因此，实现无线通信时系统控制实现的关键。 通过无线收发模块，可以实现信息的无线发送和接受，只要按照预先设定好的通信协议进 行数据传输，就能实现上位机和下位机的信息交换。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 (4) 人机交互界面。小车是通过 PC 终端来控制的，要想让小车按照人的意愿进行运行， 就要设置好人与计算机的信息交流。通过 LabVIEW 8编程环境，建立人机交互界面，实现 这一功能。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 (5) 进行实车实验，对小车进行调试。 2 系统硬件电路的设计 2.1 系统总体设计 本系统以小车模型为平台，通过控制小车的运动，让小车到达预期的目的地，从而对 该地区进行信

12、息采集，并将采集到的信息以无线传输的方式，发送到 PC 终端。小车可四 轮独立驱动，车体上搭载有 51 单片机最小系统 910、温度传感器、红外避障模块、电机驱 动模块以及无线收发模块。系统可分为两种工作模式： 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 (1)远程控制模式 该模式下， PC 终端通过无线发送模块，将对小车的控制信息发送给小车，小车通过无 线接受模块接受到信息后，按照收到的运动信号运动到目的地，小车行驶的同时，进行采 集信息，并通过无线发送模块将信息回发给 PC 终端。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 (2)自动模式 选择自动模式后，小车的运动将不会受到 PC 终端的控制，小车将以 51 单片机最小系 统

13、为“大脑”，进行自行运动。在该模式下，小车能够自行的向前运动，由于车体上搭载 有红外避障模块，小车可以随时检测障碍物。当遇到障碍物时，红外避障传感器能够检测 到障碍物具体位置，并将障碍物位置信息传送给小车“大脑” ，单片机按照给定程序进行 分析判断，控制小车转向，从而避开障碍物。与此同时，小车不断采集信息，并将采集到 得信息通过无线发送模块，发给 PC 终端。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 总体方案设计如图 2 端 C终 P 无线收发模块 图 2 系统总体方案图 本课题采用 ZK-4WD 小车模型，为竞技比赛常用车型。该模型主要包括四个轮子、四 个电机、一个底盘 小车模型如图 3 图 3 ZK-4W

14、D 小车模型图 ZK-4WD 小车模型有以下几个优点： 1) 机械结构简单，非常方便安装。 2) 采用四个减速直流电机转弯灵活，方向性好。四轮电机驱动，马力实足，使在斜坡、 凹凸不平的路面上也能够行驶。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 3) 小车自带测速码盘，可以迅速组成一套测速系统。可以测速，测距。 4) 底盘大而稳，并且有很多小孔，可直接安装其他模块，非常容易扩展。 5) 车体几乎全为塑料，质量很轻，而且车体较小。整体轻便小巧，运动灵活，方便控制， 对电量损耗小，能够持久工作。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 2.2 电源模块 本系统采用可充电电池为电源，保证系统正常工作。小车模型系统中，需要供电的模 块

15、有：电机及其驱动模块、温度传感器模块、单片机最小系统模块、红外避障模块、无线 收发模块。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 整个系统由全部硬件电路的电源由 6V 、1300mA 的可充电镍镉电池提供。各个硬件所 需电源最终都由电池供电，其中由于各个硬件所需电源参数不同，所以需要经过电机驱动 模块进行转换后才能使用。在本系统中，电机驱动模块的电源是直接取自电池，而电机模 块，温度传感器模块，红外避障模块，以及单片机都是经过电机驱动模块将电压转换才能 供电。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 整个电源模块的电路结构如图 4 所示 图 4 电源模块的电路结构 2.3 电机及其驱动模块 2.3.1 电机模块 小车的运动时

16、靠直流电机 11来实现的，通过控制直流电机的转动方向来控制小车的运 动方向。 直流电机的工作原理是直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生 洛伦兹力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转 子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不 变，所以电机能保持一个方向转动。当流入电机的直流电流方向改变时，相应地电机转向 也改变。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 本课题采用的是小型直流电机，其额定电压为 3V6V ，空载时转速为 100240 转/ 分，额定电流 100 120mA。电机的具体参数如表 1。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 表

17、 1 电机参数 属性 参数 工作电压 DC 3V DC 5V DC 6V 工作电流 100mA 100mA 120mA 空载 100 转 /分 190 转 /分 240 转 /分 空载速度 20 转 /分 39转/分 48 转 /分 轮胎直径 6.6cm 重量 50kg 外形尺寸 70mm*22mm*18mm 噪声 0;i-) DQ = 0; dat=1; DQ = 1; if(DQ) dat|=0 x80; Delay(4); return(dat); void WriteOneChar(unsigned char dat)/写/ 一个字节 unsigned char i=0; for (i

18、=8; i0; i-) 22 DQ = 0; DQ = dat Delay(5); DQ = 1; dat=1; unsigned int ReadTemperature(void)/读/ 取温度 unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0 xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0 x44); / 启动温度转换 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0 xCC); /跳过读序号列号的操作 Writ

19、eOneChar(0 xBE); /读取温度寄存器 a=ReadOneChar(); / 读低 8 位 b=ReadOneChar(); /读高 8 位 t=b; t0 else if (point=4)/ 判断是否接收够 4bit 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴 减。 if(receive_temp=#) receive_data0=receive_buffer3; if(receive_buffer1=y / 远程控制模式 if(receive_buffer1=z / 自动灭火模式 point=0; else point=0; else /缓冲区已满 ,清除缓冲区内数据 ,重新接收 point=0;

20、風撵鲔貓铁 串口发送一个数字 */ 27 频钙蓟纠庙。 void send_int(int txd) / 等特数据传送 / 清除数据传送标志 SBUF = txd; while(!TI); TI = 0; 串口发送一个字符 灭嗳骇諗鋅 猎輛觏馊藹。 void send_char(unsigned char txd) SBUF = txd; while(!TI); / 等特数据传送 TI = 0; / 清除数据传送标志 串口发送字符串 */ 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 void send_str(unsigned char str) unsigned char i = 0; while(stri !

21、= 0) SBUF = stri; while(!TI);/ 等特数据传送 TI = 0;/ 清除数据传送标志 i+; / 下一个字符 3.3 通信及其协议 24 作为无线通信，需要其自己的通信协议，只有收发双方都遵循同样的通信协议，彼此 才能进行交换信息。本系统采用的通信协议为“一位起始符 +N 位传输数据 +一位终止符” 28 模式。数据格式如表 9。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。 表9 数据格式 起始符（一位） 传输数据 （n 位 ）终止符（一位） . # 数据传输时，接受到数据的设备先进行判断，若第一位数据位“”符号，则认定为有效数据，并 接受其后面的数据，直到收到“ #”后，在认定为数有效据

22、接受已经结束，设备停止接受数据。趕輾雏纨 颗锊讨跃满賺。 4 系统测试 4.1 系统难点与创新 在整个系统设计中，存在一些难点。主要有温度信息无线传送的实现、串口通信协议 的制定、上位机的实现。 温度测量的传统方法采集的温度范围小，并且远距离传输时会有较大的误差。所以， 本系统采用数字式温度传感器 DSl8820，通过无线发送接收模块将采集到的温度信息传输 到 PC 终端，进行实时显示，减小了温度的误差率。在通信协议方面，如果没有预先规定 协议标准，则上下位机的数据将无法进行识别和交换。本课题制定了完整的通信协议，对 每一个数据都加上起始字符和终止字符，使上下位机能够准确识别并接受有用数据，成

23、功 解决了通信协议问题。 在上位机方面， 本课题使用 LabVIEW 开发平台，运用其独有的“ G” 语言（图形化语言）编辑程序，实现人机交互界面的制作，完成温度信息的上位机显示和 上位机对小车的控制。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 在创新方面，主要包括以下几点： 1）将信息采集、无线传输、远程控制等多种信息技术相互融合，使小车实用性更强，应 用范围更广。 2）利用红外线的反射性质，检测障碍物，具有灵敏度高、反应快等优点。 3）上位机使用 LabVIEW 编程环境，实现人机交互界面的制作。 其的图形化编译语言方便 简单，易于操作。 4.2 测试结果讨论 针对智能小车的功能，本文做了如下几方面的调试：

24、 1）小车避障调试 利用红外传感器，在遇到障碍物时，小车能调转方向，避开障碍物。避障功能正常。 2）远程控制调试 29 使用 APC220-43 无线收发模块，当按下控制按钮后，小车能根据接收到的信号，进行 行驶。远程控制功能正常。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 3) 温度实时显示调试 最后温度显示方面，在自动模式和远程模式下，小车均能将采集到的温度信息发送到 上位机处并显示出来，至此，整个系统功能正常。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。 结论与展望 本文设计出一种基于无线传输技术的温度数据采集系统和控制系统 25 ，通过无线发送 接收模块将采集到的温度数据传输到上位机处进行显示。应用传感技术、控制技术以及无

25、 线收发技术，实现温度数据的采集和无线传输。本系统性能稳定，可靠性高，抗干扰能力 强，实用性强。但是，对该系统的任然存在问题。比如无线信号传输距离短，容易受干扰， 穿越障碍物能力低。温度传感器的测温范围无法进一步提高。因此，本系统还处在实验阶 段。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 随着智能化技术的不断发展，智能小车的涉及领域将不断扩大，智能小车也将在多方 面影响人类的生活。 参考文献 1 蔡自兴，徐光偌人工智能及其应用北京：清华大学出版社，2003 2 陈懂，刘蓉，金世俊智能小车的多传感器数据融合 现代电子技术 (电子元器件 )，2005，(6)：23-25 騅 憑钶銘侥张礫阵轸蔼。 3 卓晴、黄开胜

26、、邵贝贝等学做智能车 M. 北京：北京航空航天出版社， 2007 4 高月华基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计光电技术应用，2009，30(1)：134-137. 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。 5 王航宇基于红外传感器路径识别的小车设计研究与开发，2008，27(8)： 28-31. 6 蔡型，张思全短距离无线通信技术综述 J 现代电子技术， 2004，(3)：65-67， 76 7 王英洲，方旭明短距离无线通信主要技术与应用J 数据通信， 2004，(4)：53-56 8 尹绑政 基于 LabVIEW 的 USB 实时数据采集处理系统的燕现 J计算机应用， 2003(7) ：22-24镞

27、锊过润启婭澗骆讕瀘。 9 王幸之，钟爱琴，王雷，王闪编著： AT89 系列单片机原理与接口技术 ，北京航空航天大学出版 社， 2004年 5月 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。 10 刘守义，杨宏丽，王静霞编著： 单片机应用技术 ，西安电子科技大学出版社， 2002 年 8 月 30 11 王晓明电动机的单片机控制北京：航空航天大学出版社，2003 12 魏永广现代传感技术东北大学出版社，2001， 4： 12-22. 13 方佩敏新编传感器原理、应用、电路详解 M 北京：高等教育出版社， 1994 14 黄建梅，杨学友现场智能传感器电子测量技术2006，29(3)： 171-173. 15 江力单片机

28、原理与应用技术北京：清华大学出版社，2006 16 胡汉才单片机原理及其接口技术北京：清华大学出版社，2004 17 李哲英，骆丽 SOC 与单片机应用技术的发展单片机与嵌入式系统应用，2001，3. 18 吕惠智红外技术哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998 19 张海滨， 郑维智 短距离无线通信在控制中的应用 J 微计算机信息， 2004，(11)：129-130，38邁 茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 20 王莉，陈虹基于 LabVIEW 的通信原理试验研究与实现 J 仪表技术， 2007，(10)：26-30嵝硖 贪塒廩袞悯倉華糲。 21 王建群，基于 LabVIEW 的数搬采集系统的实现 J

29、。计算机工程与应用， 2003(21)：122-125.该栎谖 碼戆沖巋鳧薩锭。 22 谭浩强 C 程序设计北京：清华大学出版社，1988 23 焯华等 一个单片机串行数据采集及传输模块的设计J微计算机信息， 2006，10-2：229-2 31劇 妆诨貰攖苹埘呂仑庙。 24 樊昌信 .通信原理 (第五版 )M. 北京：国防工业出版社 ,2001:23-45 25 沙占友集成化智能传感器原理与应用 M 北京：电子工业出版社， 2004 致谢 光阴似箭、岁月如梭，转眼间，大学的美好时光即将结束。回首往事，四年间点点滴 滴已经在我的脑海留下深深的烙印。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。 首先我要感谢我的陈晓

30、燕导师，正是由于陈老师的默默关心和无私帮助，本论文才能 得以顺利完成。从毕业设计的选题、制作，资料的收集，以及论文的修改，陈老师都给了 我无私的关怀。在本文的工作期间，导师宽广的见识，严谨的治学态度，敏锐的洞察力让 我受益颇深。在此，我特向陈老师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意。其次，我要感谢我 们专业所有老师，正是你们的辛勤付出和谆谆教诲，才让我掌握了专业知识，并顺利完成 了学业。最后，我要感谢陪我一起度过大学时光的同学们，因为你们，我的大学生活才那 么多姿多彩，那么难忘和美好，谢谢你们。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。 31 附录 附录 1 系统整体框图 32 附录 2 实物图 附录 3 下位机主程

31、序 #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int * LED 口 * sbit P0_0=P00; sbit P0_1=P01; sbit P0_2=P02; sbit P0_3=P03; sbit P0_4=P04; sbit P0_5=P05; sbit P0_6=P06; sbit P0_7=P07; 电机驱动口 * sbit P1_0=P10; sbit P1_1=P11; 33 sbit P1_2=P12; sbit P1_3=P13; sbit P1_4=P14; s

32、bit P1_5=P15; sbit P1_6=P16; sbit P1_7=P17; sbit DQ = P22; /定义端口 DQ,DQ为温度传感器 18B20的数字信号传输口 unsigned char code LEDData1 = 数码管位选口 */ sbit led1 =P24; sbit led2 =P25; / 温度十位 sbit led3 =P26; / 温度个位 sbit led4 =P27; / 温度小数位 数红外传感器检测口 sbit P3_5=P35; sbit P3_6=P36; sbit P3_7=P37; #define Left_moto_go P1_0=0,

33、P1_1=1,P1_2=0,P1_3=1; / 絲懷紓泺。 #define Left_moto_back P1_0=1,P1_1=0,P1_2=1,P1_3=0; 纲鴣攣駘賽。 #define Left_moto_Stop P1_0=0,P1_1=0,P1_2=0,P1_3=0; 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。 #define Right_moto_go P1_4=0,P1_5=1,P1_6=0,P1_7=1; 礱颼畢韫粝。 #define Right_moto_back P1_4=1,P1_5=0,P1_6=1,P1_7=0; 颀阳灣熗鍵。 #define Right_moto_Stop P1_4=

34、0,P1_5=0,P1_6=0,P1_7=0; 牵鎮獵鎦龐。 左边两个电机向前走 穑釓虚绺滟鳗 / 左边两个电机向后转 隶誆荧鉴獫 / 左 边 两 个 电 机 停 转 / 右边两个电机向前走 鈀燭罚櫝箋 / 右边两个电机向前走 惬執缉蘿绅 / 右边两个电机停转 贞廈给鏌綞 unsigned char Car_mode=0; / 厨胀鑲铟礦毁蕲。 小车运行方式选择， 1 为远程控制模式， 2 为自动灭火模式 嚌鲭级 uchar point; / uart0 uchar receive_buffer3; / uchar receive_data3; 接收数据个数指示变量 定义接收数据缓冲区 * 0

35、-9LED 数值 * 34 0 x03,/*0*/ 0 x9F,/*1*/ 0 x25,/*2*/ 0 x0D,/*3*/ 0 x99,/*4*/ 0 x49,/*5*/ 0 x41,/*6*/ 0 x1F,/*7*/ 0 x01,/*8*/ 0 x09,/*9*/ void Delaynms(unsigned int di) /延时 unsigned int da,db; for(da=0;dadi;da+) for(db=0;db0;i-) DQ = 0; dat=1; DQ = 1; if(DQ) dat|=0 x80; Delay(4); return(dat); void Write

36、OneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat Delay(5); DQ = 1; dat=1; 37 读取温度 unsigned int ReadTemperature(void)/ unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0 xCC); WriteOneChar(0 x44); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0 xCC); WriteOneChar(0 xBE); a=ReadOneChar(); b=ReadOneChar(); t=b; t0 else if (point=4) / 判断是否接收够 4bit 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。 if(receive_temp=#) receive_data0=receive_buffer3; if(receive_buffer1=y / 远程控制模